Soy nuevo en la óptica y me cuesta conciliar dos conceptos que me parecen muy diferentes pero que sé que son equivalentes y fundamentalmente dos formas de describir el mismo fenómeno. El artículo de la Wikipedia sobre índice de refracción afirma en "Explicación microscópica" que al oscilar los campos electromagnéticos, las cargas del material se "agitan" a la misma frecuencia e irradian su propia onda EM. Si los electrones emiten una onda luminosa que está en fase con la onda luminosa que los sacude, se amplificará la luz. Esto corresponde a la emisión estimulada. Sin embargo, mi confusión radica en que si luego leo el artículo sobre la emisión estimulada, no se habla de las "cargas agitadas" ni del dipolo radiante. En su lugar, se centra en las transiciones atómicas entre los estados excitados y los estados básicos. Mi pregunta es cómo debo conciliar en mi mente estos dos enfoques para entender la emisión estimulada. Gracias por su ayuda.
Respuestas
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Si los electrones emiten una onda luminosa que está en fase con la onda luminosa que los agita, amplificará la luz. Esto corresponde a la emisión estimulada.
En general, este comportamiento es no equivalente a la emisión estimulada.
El proceso por el que los materiales polarizables modifican la fase de las ondas EM no conduce a la amplificación ni a la absorción. Además, se produce en una amplia gama de frecuencias, mientras que la emisión estimulada sólo se produce en las frecuencias correspondientes a una resonancia de la especie activa (que también podría denominarse transición de los estados energéticos de la especie).
Si hay que establecer una relación entre la refracción y la emisión estimulada, se podría decir que la emisión estimulada corresponde a un caso muy especial de refracción en el que la frecuencia de la radiación coincide con una resonancia (o transición) del material, y en el que éste se encuentra en un estado excitado.
Si el material no está en estado de excitación, se observará absorción en las frecuencias de resonancia en lugar de amplificación. La amplificación o absorción puede modelarse con un componente imaginario de la constante dieléctrica del material.
Para ilustrarlo, si trazamos las componentes real e imaginaria de la permitividad (denotada $\varepsilon'$ y $\varepsilon''$ respectivamente, de modo que $\varepsilon = \varepsilon'+i\varepsilon''$ ) de un material se verá algo así:
[ fuente ]
Recordando que el índice de refracción $n = \sqrt{\varepsilon_r}$ vemos que la refracción se produce en todas las frecuencias. La emisión estimulada sólo puede ocurrir en las frecuencias de resonancia (donde el $\varepsilon'$ y se recupera), y sólo cuando el material se excita hasta una inversión de población (lo que sólo es posible en la práctica cuando se dan otras condiciones que le permiten mantener un estado excitado durante un periodo de tiempo relativamente largo sin perder energía por emisión espontánea).
Mi pregunta es cómo debo conciliar en mi mente estos dos enfoques para entender la emisión estimulada.
Es un hecho en la óptica que la electromagnética clásica y la óptica cuántica son modelos muy diferentes que, sin embargo, producen resultados (en su mayoría) equivalentes.
En el caso de la emisión estimulada, la explicación que utiliza la mecánica cuántica se considera generalmente más clara y más informativa, y por lo tanto la mayoría de las explicaciones del proceso se centran en esa explicación en lugar del modelo EM clásico.
En el modelo clásico de EM, nos limitamos a decir que "el material tiene un índice de refracción complejo y, por tanto, hay ganancia (o pérdida)". En realidad, no podemos explorar el fenómeno con mayor profundidad ni explicarlo en términos de comportamientos más fundamentales, por lo que no solemos utilizar ese modelo para enseñar sobre el proceso.
Espero no decir nada malo, aunque la óptica es mi campo.
"las cargas del material se "agitan" a la misma frecuencia e irradian su propia onda EM. Si los electrones emiten una onda luminosa que está en fase con la onda luminosa que los sacude, amplificará la luz".
Para que se agiten necesitan ser acelerados, por lo que, en cierto modo, necesitan eliminar energía del campo para poder también agitarse. Sólo para reemitirla de nuevo, dejando que la luz resultante vea una ganancia o pérdida neta de energía nula. Para el índice de refracción, sólo la parte real (hagamos que no haya pérdidas), hablamos de materiales dieléctricos donde los electrones están en la banda de valencia y pueden moverse dentro de su "valle de potencial electrónico". Son "libres" de moverse allí, y con un campo EM, hay un intercambio de energía cinética y potencial como es habitual en un valle de potencial, pero no hay amplificación de la luz si pensamos en la transmisión habitual de la luz a través de un material transparente, donde los electrones forman dipolos por la excitación de su movimiento dentro del potencial. No es una emisión estimulada.
Ahora la emisión estimulada es diferente. En este caso el índice de refracción también es complejo. Hay que tener en cuenta otras cosas. Pero para simplificar las cosas, en su caso simple, para la emisión estimulada primero hay que cambiar el estado energético del sistema. La emisión estimulada, proviene, en cierto sentido, de una resonancia o acoplamiento entre 2 "valles de potencial". Si el electrón está en un potencial energético más alto (y podría oscilar allí para crear la transmisión normal, el dipolo normal, el índice de refracción normal para ciertas longitudes de onda), puede ser forzado a bajar a uno más bajo por el efecto de la emisión estimulada. Estaba en este otro potencial energético más alto, porque obtuvo energía de un campo EM, y no devolvió esta energía. En contraste con la propagación normal, en la que el electrón está constantemente jugando el juego de energía potencial/cinética con el campo EM.
Puedo ser un poco más científico, o preciso en las cosas, pero no quiero complicar demasiado todo. Si sigues teniendo problemas puedo editar más esta respuesta. La línea de base es: oscilación dipolar $\neq$ resonancias atómicas/moleculares.
